了解集成電路的熱性能，無論是微控制器、FPGA 還是處理器，對于避免可能導致電路故障的過熱一直至關重要。電子系統的小型化和產生大量熱量的元件（例如 LED）的擴散，使得熱分析作為保證產品良好運行和可靠性的工具的作用越來越重要。

然而不幸的是，電子行業似乎還沒有為這個新挑戰做好充分的準備：事實上，元件制造商經常提供關于其設備熱行為的非常稀缺的信息，有時將自己局限于用瓦特。在所有這些方面，軟件解決方案允許在熱級別解決設計問題以提高性能。

基于經過高并行度測試的架構，在不犧牲精度的情況下提供比上一代解決方案快 10 倍的性能，Cadence 攝氏溫度求解器與用于 IC、封裝和 PCB 的 Cadence 實施平臺集成。這允許執行系統分析以在過程的早期檢測和減輕熱問題。Cadence 表示，其Celsius 熱解算器是第一個完整的電熱協同仿真解決方案，適用于從集成電路到物理容器的整個電子系統層次結構。

熱性能
使用 3D 封裝的公司尤其面臨著巨大的熱挑戰，否則這些挑戰可能要到設計階段的最后階段后期才能確定，此時進行更改的成本最高。

這使得熱管理在封裝選擇過程中必不可少，以確保產品的高可靠性。良好的熱評估需要結合分析計算、經驗分析和熱建模。問題是確定所討論的集成電路在高溫下是否可靠。

溫度隨時間變化的關系來自兩個主要定律：牛頓冷卻定律和非潛能守恒定律。第一個可以定義如下：

其中 T B是體溫，T A是環境溫度，而 K A是比例常數。以下等式給出了第二定律：

其中 P 是施加到物體上的功率，m 是質量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體的熱損失率與身體與環境之間的溫差成正比。結合這兩個方程，我們得到以下關系：

熱阻是要分析的主要因素。計算是根據熱平衡進行的，即，當：

開發函數，我們得到以下關系：

在哪里

是物體與環境之間的熱阻。問題是確定所討論的集成電路在高溫下是否可靠。沒有特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在 DC 模式操作中，通常必須分析一些參數，例如 θ JA熱阻和 θ JC 結溫。第一個參數可以定義為熱導的倒數，它決定了紡織材料的隔熱性能。第二個，結溫，是半導體中的一個重要因素，與功耗直接相關。

熱工具
用于正確熱管理的主要技術可概括如下： 復合材料通常是熱管理組中的主要熱交換器（散熱器）；工程師和系統設計師用于測試、設計和分析熱元件生產率的設計、建模和分析工具；用于封裝電子產品的基板材料。

設計軟件允許通過模型和計算流體動力學執行熱分析，以管理組件和各種接頭的氣流和溫度。

Cadence 提出的解決方案結合了固體結構的有限元分析 (FEA) 技術和流體的計算流體動力學 (CFD)，允許使用單個儀器對系統進行完整評估。在 PCB 和 IC 封裝中使用帶有 Voltus IC 電源完整性和 Sigrity 技術的攝氏度熱解算器時，設計團隊可以結合電氣和熱分析并仿真電流和熱流，獲得比上一代工具更準確的系統級熱仿真。

熱管理領域的趨勢與半導體、微處理器和計算機技術的發展保持一致。開發是不斷設計的解決方案協同作用的結果，以管理當今電子系統中的多余熱量。

“正如我們所知，電氣性能取決于熱分布。例如，設備內的電阻和漏電取決于溫度。溫度也會影響設備的功能和可靠性。另一方面，熱分布將取決于電氣性能。焦耳加熱會在系統中引入額外的熱源，而糟糕的設計可能會在走線上產生高電流浪涌，從而引入不利的熱點。為了獲得更好的設計，同時考慮這些參數很重要，這是我們求解器的本質，”Cadence 多域系統分析業務部產品管理總監 CT Kao 說。

例如，電子行業對高速和高性能的追求導致了三維 (3D) 集成電路的發展。3D 技術允許封裝中微處理器組件的垂直互連；這轉化為多芯片模塊 (MCM)、系統級封裝 (SiP)、系統級封裝 (SOP) 和封裝級封裝配置 (POP)。3D 處理器結構緊湊，互連時間較短。這提高了內存訪問帶寬并減少了耗散能級的互連。此外，它將異基因技術集成在一個單一的包中，以縮短上市時間并使其具有經濟可行性。

但是，3D會導致高熱阻，時空功耗不均勻導致熱點、高溫梯度、熱應力等熱問題；這需要適用于 3D 微處理器的熱解決方案，包括液冷微通道散熱器 (MHS)、TSV（硅通孔）、熱材料接口 (TIM) 和風冷散熱器 (AHS)。硅通孔 (TSV) 被認為是降低 3D IC 溫度的有效手段，代表了一種高性能互連技術，首次用于 CMOS 圖像傳感器。

攝氏熱解算器根據高級 3D 結構中的實際電能流動執行靜態（靜止）和動態（瞬態）電熱模擬，提供真實系統行為的最大可見性。

“我們已經確定了三種類型的方法來解決工程師在設計中遇到的熱分析挑戰：以 IC 為中心、以封裝和 PCB 為中心以及以系統為中心。以 IC 為中心的方法可以對復雜的芯片級結構進行電熱協同仿真，包括 3D-IC、芯片到芯片鍵合和硅通孔。功率輸入可以是用戶指定的，也可以是從芯片設計工具中導入的，該工具可在芯片上生成準確的功率曲線。對于以封裝和 PCB 為中心的應用，我們將有限元分析和 CFD 集成在一起，對真正的 3D 結構和 2D 分層結構進行瞬態和穩態分析。對于更大的以系統為中心的方法，再次集成有限元分析和 CFD 來執行瞬態和穩態分析。

審核編輯 黃昊宇